铁路松散破碎围岩隧道防塌控制技术

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摘要： 隧道施工中经常遇到破碎围岩而发生塌方及掌子面涌出、坍塌的事故。一旦塌方灾害发生，不仅影响工程进度，而且影响施工企业形象；若处理不当，将遭受更大损失，如塌方频繁发生，或留下隐患。提出一种新型隧道防塌控制技术—“双曲拱”耦合支护技术，支护效果表明该技术可靠性强，能有效控制隧道顶板坍塌，具有很好的经济效益和社会效益。

Abstract： Often fractured surrounding rock in tunnel construction and face the collapse and gushing， collapse accident.Once the landslide disaster， not only the project， but construction corporate image；If not handled properly， will suffer more losses， such as landslides are frequent， hidden or left.Made a new tunnel collapse prevention control technologies-"double-curved arch" coupling supporting technology， supporting effect indicates that the technical reliability， can effectively control the tunnel roof collapsed， with good economic and social benefits.

关键词： 松散破碎围岩；防塌；控制

Key words： incompact and fractured surrounding rock；anti-sloughing；control

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）05-0101-03

1 工程概况

该隧道为某新建客货共线时速为160km/h的并行两座单线电气化铁路隧道。其中，左线长度5875m，左线隧道最大埋深约83m，最浅埋深24m；右线长度6070m，右线隧道最大埋深约70m，最浅埋深21m。隧道途径地域的地表有208高速公路与部分民宅，交通便利。

全隧道采用曲墙带仰拱复合衬砌，初期支护采用锚喷支护，IV加强以上均采用了钢拱架，并采用超前小导管进行预加固。局部特殊地段的支护方式，则选择大管棚与小导管联合支护。在洞口一般采用超前大管棚，其标准为？覫108mm，环向间距0.6m。小导管纵向间距为2.4m，长度3.5m，环向间距1.2m。锚杆长度范围在2.5～3m之间，环向间距1.2m。根据围岩级别不同，其纵向间距范围在1.0～1.5m之间。在拱墙部位，按照20～25cm的间距范围设置钢筋网。

2008年5月，该隧道工程正式开工，计划工期29.4个月。施工开始后，左右线及斜井出现塌方现象，不仅造成了经济损失，而对施工工期带来不利影响。

如图1所示。

2 “双曲拱”耦合支护措施

在一般隧道中，要达到增加围岩稳定性、控制围岩变形的目的，通常采取喷射混凝土、锚网喷或者钢筋格栅支护的方式。但是，在围岩松散破碎的复杂地质环境下，这种传统的格栅混凝土支护就不能达到隧道的安全要求。因为施工扰动的影响，加上水和膨胀力的作用，使得简单的锚杆支护无支撑围岩的永久稳定，还需要进行第二次耦合支护，才能使隧道最终稳定。

目前，对冒落隧道的加固方法主要有：注浆加固法、喷注法、锚网梁喷注联合支护法等。这些方法的缺点是隧道不能确保施工工人的安全性，在感观上给人一种不安全的感觉，而且如果隧道再次冒落，其危害依然很大，即不能永久控制其冒落。然而该隧道冒落与普通冒落不同，其冒落范围之大、冒落高度之高是国内外所罕见的，必须采取一种既能满足隧道断面的各异性，又能克服应力分布不均性的新型支护技术。

由于该隧道的地质条件较为复杂，我们在选择新的支护技术时，除了要依据隧道塌方的特点外，还要考虑以下几个方面：

（1）根据冒落隧道的特点，我们不能寄希望一次实现支护的效果，而是需要进行二次或多次支护；

（2）考虑到高冒塌方的特点，我们在进行技术控制时要注意两个方面的问题：一是要适应断面形状的各异性，二是针对侧向应力分布不均匀的情况，通过加强刚度去克服，防止两帮侧移；

（3）由于冒落拱具有自稳性，我们应该利用这一特性，设法提高围岩自身的力学性质。具体做法可以利用锚网喷初次支护技术，最大限度提高围岩的自承能力；

（4）刚性永久支护必须对围岩有足够的承载能力，以承受上部围岩的重量。

根据以上对高冒塌方控制技术的思路分析，抛弃以上传统支护形式的缺点，吸取其优点，提出了“双曲拱”耦合支护技术，即一次锚网喷＋锚索＋注浆耦合支护以加固围岩，利用冒落拱的自稳性和围岩的自承能力形成上部硐室；二次柔层桁架永久耦合支护形成下部硐室，在空间上形成上下双曲拱。“双曲拱”耦合支护技术既能有效控制隧道的稳定性，保证隧道的正常使用，又能减少隧道的返修量，确保了施工工人的人身安全。

2.1 “双曲拱”耦合支护的概念

“双曲拱”耦合支护可定义为：对于松散破碎围岩高冒塌方落破坏隧道，利用冒落拱的自稳性和围岩的自承能力，通过锚网索＋注浆与围岩的耦合作用，形成上部硐室；通过桁架耦合支护，形成下部硐室，在空间上形成上下双曲拱的支护技术。

“双曲拱”耦合支护的材料主要包括注浆、锚杆、钢筋网、锚索、桁架。不同的材料所起的作用也不同。“双曲拱”耦合支护中，首先对围岩进行注浆加固，这一步可以改变围岩的力学性质，充分利用围岩的自承能力，使其整体性得到强化。锚杆通过与围岩相互作用，在锚杆的锚固范围内形成加固圈，使围岩的稳定性得以增强。另外，它可伸缩的特点，可以承担巷道围岩变形时的支护需要。

针对锚杆间的松软岩石垮落问题，我们可以采用钢筋网进行保护，使得围岩表面受力均匀，提高支护的整体性。

由于锚索的锚固深度大，能够调动隧道深处围岩的强度，我们可以将其作为加强支护的方式，通过施加预紧力，将不稳定岩层与稳定的岩层锚固在一起，增强围岩的整体强度。由于锚索的拉伸性能，可使围岩变形均匀。

在锚网索支护后，我们可以采用立体桁架作支护材料。当桁架与围岩接触后，可以将预留变形空间的变形能进行释放，从而给围岩以一定的强度支持。

2.2 “双曲拱”耦合支护的力学原理 首先对围岩进行注浆，通过改变其力学性质使强度得到增强。同时也利用了围岩的自承能力，发挥其作为支护结构一部分的作用，有效提高围岩的整体性。在锚杆发挥作用的过程中，可以使浅部围岩形成“加固圈”，增强围岩的稳定性。之后通过采用钢筋网，增加支护的接触面积，使得围岩表面受力均匀。而锚索支护则将浅部围岩与深部围岩联系起来，并且利用深部岩层的稳定性，提高整个围岩的强度。然后，通过桁架支护，当桁架与围岩接触时，桁架有足够的强度和刚度，使锚网索—桁架—围岩协调变形，实现支护一体化、荷载均匀化，达到耦合支护的目的。

根据冒落拱理论可知，其自身具有稳定性，利用冒落拱的自稳性，再加之对冒落后围岩进行注浆以提高围岩整体性和强度，利用锚网喷耦合支护形成上部硐室，待隧道断面形成后进行填充。

柔层桁架耦合支护形成下部硐室，围岩和桁架间预留变形空间（通过喷射混凝土填充）的作用是大幅度地吸收高应力强膨胀软岩的大变形，它具有充分的柔度和间隙适应高应力强膨胀软岩的大变形。围岩在锚网索和桁架的控制下，实现有限变形，从而形成比较均匀的外部塑性工作状态区和内部弹性工作状态区，把高应力能量转化为均匀变形，把高应力转移到围岩内部。

中间采用工字钢做横梁，浇筑混凝土呈双曲拱型，承受巷道两侧由于应力分布不均造成的围岩压力。这样，高冒塌方巷道在空间上形成上下两个硐室，其稳定性大大增强。

“双曲拱”耦合支护技术的基本原理如图2所示。

根据耦合支护的基本特征，“双曲拱”耦合支护的原理包括：围岩耦合注浆原理、锚杆—围岩耦合作用原理、网—锚杆围岩耦合作用原理、锚网围岩—锚索耦合作用原理、锚网索围岩—柔层桁架耦合作用原理。

2.3 支护原理 锚网索支护后，围岩应力集中程度已经较小，但是应力集中仍然会在局部出现，可能会造成局部的差异性变形。为了防止这种变形产生，可以充分发挥立体双桁架的特性，利用围岩和桁架间预留变形空间转化变形能，形成比较均匀的外部塑性工作状态区和内部弹性工作状态区。

锚网索—围岩—桁架耦合作用过程可以围岩变形量和变形速率分为四个阶段（如图3所示），即第一阶段（OA段）为变形加速段：隧道开挖～初支，T1为锚网喷支护时间；第二阶段为变形趋缓段（AB段）：初支～挖底架设桁架、布设锚索，T2为锚索支护和架设桁架时间；第三阶段为减速变形段（BC段）：挖底架设桁架、布设锚索～围岩与桁架接触，T3为围岩与桁架接触时间；第四阶段为变形稳定段：围岩与桁架接触～永久支护，T4为围岩与桁架相互作用结束，围岩稳定时间。

上述四个阶段是围岩中蕴藏的各种能量释放、转移和转化过程的表现。隧道开挖后，围岩中蕴藏的主要能量包括：开挖产生的应力集中能、深部高应力能、膨胀变形能、构造应力能、工程偏应力能、重力能等。不同的支护过程和支护方式转移和转化不同的能量。

“双曲拱”耦合支护过程包含了三个能量转化过程：锚网喷支护转化开挖产生的应力集中能、膨胀变形能和构造应力能；预留变形空间转化深部高应力能和膨胀变形能；围岩与桁架相互作用转化重力能和工程偏应力能等。这些过程以支护体或围岩变形的形式释放、转移和转化。

综上所述，“双曲拱”耦合支护通过：围岩注浆锚网支护（利用浅部围岩强度）锚索支护（调动深部围岩强度）柔层桁架支护（转化预留变形空间）等步骤，完成了围岩的能量转化过程，有效地保护了围岩强度，并为围岩和支护体相互作用提供了良好条件。因此该隧道高冒塌方的控制对策可概括为：主动支护、保护浅部岩体，充分发挥围岩自承能力、利用深部岩体强度、减少返修量。

3 支护效果分析

为了进一步验证“双曲拱”耦合控制技术的控制效果，采用FLAC2D，对该隧道高冒区具体工程地质条件进行了试验方案的模拟计算。数值模拟对“双曲拱”耦合支护后的工程地质模型进行数值计算，分析控制技术的可靠性及可行性。

建立的几何模型尺寸为宽×高=60m×60m，模型中原岩处于侧压系数近似为1的静水压力状态，原岩应力大小按隧道上覆岩体自重考虑。模拟采用的本构模型为摩尔库仑模型，岩石力学参数如表1所示。

“双曲拱”耦合支护的工程地质模型和力学模型如图4和5所示。

根据工程稳定性控制对策，数值模拟方案将对“双曲拱”耦合支护效果进行分析，主要对以下几个方面进行分析：

（1）“双曲拱”耦合支护后围岩变形情况；

（2）“双曲拱”耦合支护后应力分布情况；

（3）“双曲拱”耦合支护后隧道塑性区分布情况。

其模拟结果如图6～9所示。

从对模型的位移情况模拟结果图中可以看出，经过双曲拱处理后，冒落隧道上部硐室围岩采用锚网喷耦合支护，下部柔层桁架耦合支护后围岩变形基本得到控制，最大位移量13mm，说明采用该设计在技术上的有效性；而且塑性区分布因为双曲拱而大大减小，围岩的破坏范围得到明显控制。

从模拟结果图中可以看出，采用“双曲拱”耦合支护技术加固高冒区围岩后，在围岩压力的作用下，断面收缩后挤压“双曲拱”，在桁架浇筑混凝土形成的“双曲拱”开始发挥承载作用，这样形成上下两个硐室，每个硐室形成承载拱，其应力分布均匀，塑性区范围明显减少，稳定性大大提高。

4 结论

（1）利用数值模拟，对围岩隧道顶板坍塌的破坏过程进行了还原和再现，通过分析造成破坏的原因，提出了 “双曲拱”耦合支护技术。

（2）分析了“双曲拱”耦合支护技术的力学原理和作用原理：锚网索支护后，围岩应力集中程度已经较小，但由于隧道坍塌冒落后隧道的断面各异性的特殊性质，应力集中仍然会在局部出现，可能会造成局部的差异性变形。为了防止这种变形产生，可以充分发挥立体双桁架的特性，利用围岩和桁架间预留变形空间转化变形能，形成比较均匀的外部塑性工作状态区和内部弹性工作状态区。

（3）工程实践证明，“双曲拱”耦合支护技术能有效控制隧道顶板坍塌，具有很好的经济效益和社会效益。

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